元宇宙時(shí)代的來(lái)臨對(duì)實(shí)時(shí)3D引擎提出了諸多要求，Unity作為游戲行業(yè)應(yīng)用最廣泛的3D實(shí)時(shí)內(nèi)容創(chuàng)作引擎，為應(yīng)對(duì)這些新挑戰(zhàn)，提出了Unity云原生分布式運(yùn)行時(shí)的解決方案。LiveVideoStack 2023上海站邀請(qǐng)到Unity中國(guó)的解決方案工程師舒潤(rùn)萱，和大家分享該方案的實(shí)踐案例、面臨的問(wèn)題、解決方式，并介紹了Unity目前對(duì)其他方案的構(gòu)想。

文/舒潤(rùn)萱

大家好，我叫舒潤(rùn)萱，現(xiàn)在在Unity中國(guó)擔(dān)任解決方案工程師，主要負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目是Unity云原生分布式運(yùn)行時(shí)。

首先介紹一下Unity。Unity是游戲行業(yè)應(yīng)用最廣泛的3D實(shí)時(shí)內(nèi)容創(chuàng)作引擎。截止2021年第4季度，70%以上移動(dòng)平臺(tái)的游戲是使用Unity開(kāi)發(fā)的。

但Unity不止是一個(gè)游戲引擎，Unity的業(yè)務(wù)目前涉及到汽車(chē)行業(yè)、建筑行業(yè)、航空航天行業(yè)、能源行業(yè)等等各行各業(yè)。

Unity的業(yè)務(wù)在全球都有開(kāi)展，在18個(gè)國(guó)家有54個(gè)辦公室。在中國(guó)，在上海、北京、廣州都有辦公室，在臨港也開(kāi)了一間新的辦公室。

Unity覆蓋的平臺(tái)是最廣泛的，它支持超過(guò)20個(gè)主流平臺(tái)，率先支持了Apple新發(fā)布的vision OS。

我今天的分享將從這六個(gè)方面進(jìn)行。

-01-

元宇宙時(shí)代的挑戰(zhàn)

首先，實(shí)時(shí)3D引擎在元宇宙時(shí)代會(huì)遇到什么挑戰(zhàn)？

Unity認(rèn)為元宇宙會(huì)是下一代的互聯(lián)網(wǎng)，它將是實(shí)時(shí)的3D的、交互的、社交性的，并且是持久的。

元宇宙會(huì)是一個(gè)規(guī)模龐大的虛擬世界，這個(gè)虛擬世界里有很多參與者，它將會(huì)是一個(gè)大量用戶(hù)實(shí)時(shí)交互的場(chǎng)景。同時(shí)，元宇宙它必須是一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的虛擬世界。

參與者在這個(gè)虛擬世界里對(duì)它進(jìn)行的改變將會(huì)隨著時(shí)間保留下來(lái)，并且它是穩(wěn)定的狀態(tài)。這就對(duì)實(shí)時(shí)3D交互造成了很多挑戰(zhàn)。

首先，因?yàn)檫@個(gè)虛擬世界將會(huì)是一個(gè)大規(guī)模的高清世界，里面將會(huì)有數(shù)量龐大的動(dòng)態(tài)元素、靜態(tài)元素，所以它對(duì)實(shí)時(shí)3D引擎提出了渲染的挑戰(zhàn)。

其次，它伴隨著大量的網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)引擎的可擴(kuò)展性和可伸縮性提出了很高要求，所以對(duì)運(yùn)行平臺(tái)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

最后，因?yàn)檫@個(gè)虛擬世界會(huì)有超大規(guī)模的物理仿真，用戶(hù)將會(huì)在其中進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)交互，所以這對(duì)運(yùn)算資源也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

-02-

Unity分布式運(yùn)行時(shí)

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，Unity提出了分布式運(yùn)行時(shí)的解決方案。

這個(gè)方案由兩部分組成，第一個(gè)部分是Unity云原生的分布式渲染，第二個(gè)部分是Unity云原生分布式計(jì)算。

首先介紹分布式渲染。要做一個(gè)多人聯(lián)網(wǎng)的體驗(yàn)，可以從最簡(jiǎn)單的Server-Client架構(gòu)入手。如圖所示，在這個(gè)架構(gòu)中有一個(gè)中心化的Server，它可以服務(wù)于多個(gè)Client。這張圖上畫(huà)了兩個(gè)Client，這是最簡(jiǎn)單的架構(gòu)。

為了對(duì)應(yīng)大規(guī)模的渲染壓力，Unity把用戶(hù)的Client端拆成了Merger和Renderer。在這里面，一個(gè)Merger對(duì)應(yīng)多個(gè)Renderer，這些Renderer將會(huì)負(fù)責(zé)虛擬世界的渲染。我們把一幀的渲染任務(wù)拆分成很多個(gè)子任務(wù)，分別交給這些Render進(jìn)行。Merger負(fù)責(zé)把Renderer渲染的畫(huà)面組合成最終畫(huà)面，之后通過(guò)WebRTC推流的方案推給用戶(hù)的客戶(hù)端。要注意，這里除了用戶(hù)的客戶(hù)端以外，所有的環(huán)境都是運(yùn)行在云上的。

圖示為一個(gè)最簡(jiǎn)單的屏幕空間拆分，即把一個(gè)完整的畫(huà)面在屏幕空間上拆成幾個(gè)部分。除此之外還有其他拆分方式，例如通過(guò)時(shí)間拆分：假設(shè)有4個(gè)Renderer，第一個(gè)Renderer渲染第一幀，第二個(gè)Renderer渲染第二幀，第三個(gè)Renderer渲染第三幀……以此類(lèi)推，再把它們組合成一個(gè)完整的序列。

Unity現(xiàn)在也在實(shí)驗(yàn)一個(gè)新的拆分方式：在Merger上渲染一個(gè)比較高清的近景，再把遠(yuǎn)景拆分到幾個(gè)Renderer上。Renderer的幾個(gè)畫(huà)面可以組成一個(gè)天空盒推到Merger上，這樣Merger就可以同時(shí)擁有細(xì)節(jié)比較豐富的近景和遠(yuǎn)景。Unity的架構(gòu)允許開(kāi)發(fā)者根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求定義自己畫(huà)面的拆分方式。

回到這個(gè)架構(gòu)圖，想象在一個(gè)大型的虛擬世界里，有成千上萬(wàn)用戶(hù)連入運(yùn)行時(shí)，通過(guò)分布式渲染，把原本一個(gè)進(jìn)程服務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶(hù)的場(chǎng)景，拆分成好幾個(gè)進(jìn)程服務(wù)于一個(gè)用戶(hù)，因此這個(gè)場(chǎng)景就會(huì)對(duì)Server提出巨大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，Unity提出了分布式計(jì)算。

這種分布式計(jì)算把Server拆分成了Server和Remote，用 Remote分擔(dān)Server的一些運(yùn)算壓力。

簡(jiǎn)要概述一下Unity是怎樣把計(jì)算任務(wù)分配給Remote的。Unity游戲的業(yè)務(wù)流程可以簡(jiǎn)單拆分成數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)叫做Component，數(shù)據(jù)處理器實(shí)際上就是業(yè)務(wù)邏輯，代碼叫System。每個(gè)System有自己感興趣的數(shù)據(jù)，它會(huì)讀取這個(gè)感興趣的數(shù)據(jù)，通過(guò)邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

Unity把這個(gè)System跑在遠(yuǎn)程的機(jī)器上，而不是本地，之后把它感興趣的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程的機(jī)器，它就可以像本地處理一樣處理這個(gè)數(shù)據(jù)，再把更新的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)回給Server。

視頻編解碼與實(shí)時(shí)渲染

下面進(jìn)入今天的正題，視頻編解碼與實(shí)時(shí)渲染。

為什么要在分布式渲染中引入視頻編解碼？

可以看這個(gè)簡(jiǎn)化的分布式渲染架構(gòu)圖。Merger和Renderer之間的通信是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)TCP傳輸?shù)?，即圖像是通過(guò)TCP傳輸?shù)摹?/p>

這個(gè)做法有兩個(gè)問(wèn)題：

一是會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸，在實(shí)時(shí)3D交互的場(chǎng)景下，一般至少要Target到1080p60幀。而如果傳的是8 bits RGBA的圖像格式，需要的帶寬是4Gbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常見(jiàn)的千兆帶寬1 Gbps，很多機(jī)房沒(méi)有辦法接受。即使對(duì)Raw Data進(jìn)行YUV420的簡(jiǎn)單壓縮，它也要占用約1.6 Gbps的帶寬，超過(guò)了千兆。

其次是性能問(wèn)題。因?yàn)閁nity的畫(huà)面是從GPU渲染出來(lái)的，為了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸這個(gè)畫(huà)面，要先把GPU顯存上的圖像數(shù)據(jù)先回傳到CPU端。這個(gè)回讀就會(huì)導(dǎo)致需要暫停渲染的流水線(xiàn)，因?yàn)槟壳癠nity優(yōu)化較好的實(shí)時(shí)3D引擎的渲染都是流水線(xiàn)形式的，即CPU產(chǎn)生場(chǎng)景數(shù)據(jù)，再把這個(gè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)交給GPU渲染，同時(shí)CPU可以進(jìn)行下一幀的計(jì)算。但是如果數(shù)據(jù)是反過(guò)來(lái)從GPU回到CPU，意味著需要把流水線(xiàn)暫停，包括GPU、CPU上的所有任務(wù)都要等待回讀完成之后才能繼續(xù)工作。

這里截取了一張Unity的回讀指令，它消耗的時(shí)間是7.22毫秒，在實(shí)時(shí)交互的場(chǎng)景下，希望做到的是60幀的體驗(yàn)，即16毫秒，因此用7.22毫秒的時(shí)間把這張圖片讀回來(lái)是無(wú)法接受的。

為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，Unity為分布式渲染的方案開(kāi)發(fā)了Unity Native Render Plugin。Unity的目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境是云端，Linux和Vulkan的圖形API。云端一般配備的是NVIDIA GPU，希望采用NVIDIA GPU進(jìn)行硬件的視頻編解碼。在這個(gè)方案下面，Unity還是負(fù)責(zé)虛擬世界的渲染和邏輯。FFmpeg負(fù)責(zé)視頻的編解碼以及把Unity的圖像在顯存內(nèi)部拷貝給NVIDIA的Video Codec SDK，Unity的插件就是連接這兩個(gè)部分以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

這幾個(gè)流程圖展示了Unity一定要硬件編解碼的原因。橙色的框?yàn)轱@存上的數(shù)據(jù)，藍(lán)色的框?yàn)镃PU端內(nèi)存上的數(shù)據(jù)。

最左邊的流程圖是最簡(jiǎn)單的。如果要傳輸一個(gè)Raw Data的方案，在GPU上把圖像渲染完成之后，要通過(guò)回讀把它讀到CPU端，這是非常耗時(shí)的操作。在讀完這個(gè)圖像之后，把它通過(guò)TCP發(fā)送給Merger，占用帶寬非常大，這是不可接受的。

如果引入的是一個(gè)軟件編解碼的場(chǎng)景，需要圖像的數(shù)據(jù)在CPU端存在。所以回讀還是無(wú)法避免，操作仍然十分耗時(shí)。在軟件編解碼時(shí)進(jìn)行的編碼和解碼操作，同樣非常耗時(shí)。雖然這對(duì)視頻來(lái)說(shuō)沒(méi)問(wèn)題，但是對(duì)于60幀的實(shí)時(shí)場(chǎng)景是不太能接受的。但是這個(gè)方案的帶寬其實(shí)優(yōu)化了很多，因?yàn)橐曨l碼率至少比4 Gbps、1.5 Gbps好很多。這是軟件面板的情況，它最多只是優(yōu)化了帶寬。

最后是硬件編解碼。硬件編解碼是在渲染完成之后，通過(guò)顯存間的拷貝，把渲染的結(jié)果拷貝到Media的CUDA端，然后做硬件編碼和硬件解碼。雖然是一次拷貝，但是因?yàn)槭窃谝粡堬@卡的顯存上，所以拷貝過(guò)程非?？?。硬件編碼完成之后，視頻幀數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)回到CPU端。雖然其本質(zhì)上也是一次回讀，但是它和流水線(xiàn)無(wú)關(guān)，相當(dāng)于是在另一條線(xiàn)上完成的，所以這個(gè)回讀消耗的只有從PCIE到CPU到內(nèi)存的帶寬的速度，回讀的不是一個(gè)完整的圖像，而是壓縮好的視頻幀，它的數(shù)據(jù)量也大大減小，所以回讀非?？臁Ｖ笸ㄟ^(guò)TCP發(fā)送視頻幀，帶寬非常小，在Merger端解碼上傳的Buffer也比原來(lái)小，解碼也很快。最后把解碼完成后的Image，Copy 到Vulkan Texture，這也是在同一塊GPU內(nèi)顯存里的操作。

可以看到，硬件編解碼的流程優(yōu)化了很多，每一步都能得到很高的提升。

介紹一下Unity是怎樣配置FFmpeg的CodecContext的。Unity使用了兩個(gè)CodecContext，Video Context是真正用來(lái)做視頻編解碼的Context，它是一個(gè)TYPE CUDA的Hwdevice。第二個(gè)CodecContext用的是Vulkan的Context，這個(gè)Context的作用是

和Unity的Vulkan Context進(jìn)行交互，所以在初始化時(shí)不會(huì)使用到它默認(rèn)的API，而是從Unity的Vulkan Instance里面取出了所有必要的信息，把它交給FFmpeg的Vulkan Context，最后通過(guò)這種方式，就可以讓FFmpeg的環(huán)境和Unity的環(huán)境存在于同一個(gè)Vulkan的運(yùn)行環(huán)境中。

Video Context做初始化時(shí)，沒(méi)有用到它默認(rèn)的Hwdevice Context create的API，用到的是create derived的API。這個(gè)API需要傳入另一個(gè)Hwdevice Context，它能保證做初始化時(shí)和另一個(gè)Hwdevice Context使用的是同一個(gè)物理GPU，這樣才能真正地做顯存間拷貝。這里選取的邊界碼的格式是H.264，8 bit，NV 12。 為什么要選用這個(gè)格式呢？其實(shí)是受硬件限制，因?yàn)槟壳癗VIDIA硬件不支持10 bit的H.264的解碼。H.265則耗時(shí)較大，不太滿(mǎn)足60幀的需求，所以不得不選取這個(gè)格式。同時(shí)Unity是Zero Latency的配置，GOP的Size是0，保證視頻每一幀都是Intra Frame。這有兩個(gè)好處，一是它的延遲非常低。其次，因?yàn)榉植际戒秩驹诠芾淼臅r(shí)候可能會(huì)隨機(jī)丟棄幀，如果有預(yù)測(cè)幀則不好丟棄，在全是I幀的情況下可以隨機(jī)丟棄。

-05-

畫(huà)質(zhì)與性能優(yōu)化

接下介紹Unity在畫(huà)質(zhì)方面和性能方面對(duì)插件進(jìn)行的一些優(yōu)化。

首先是Tone-Mapping。Unity之所以這樣做是因?yàn)橛龅搅薈olor-Banding問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題由兩個(gè)因素導(dǎo)致：

首先，傳輸?shù)膱D像不是一個(gè)普通的SDR圖像，而是HDR圖像；

其次，選取的格式只有8 bit，它導(dǎo)致了顏色精度和范圍都是受限的。

為了理解為什么Unity傳輸?shù)氖荋DR圖像，我給大家簡(jiǎn)單介紹一下渲染里面的一幀是怎么生成的。圖示為簡(jiǎn)化的渲染過(guò)程，真正的渲染過(guò)程要比這復(fù)雜很多。

渲染過(guò)程可以簡(jiǎn)單分為三部分：

第一個(gè)部分叫Pre-Pass，它的作用是生成后續(xù)渲染階段所需要的Buffer，在這一階段里會(huì)預(yù)先生成Depth，即預(yù)先生成深度緩沖。深度緩沖預(yù)先生成最主要的好處就是可以減少Over-Draw，很多被遮擋的物體直接被剔除掉，后續(xù)步驟中就可以不用畫(huà)。

第二步是渲染中最主要的一個(gè)步驟，我把它叫做Lighting Pass，主要的作用是計(jì)算光照，生成物體的最終顏色。這種Pass的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，例如前向渲染、延遲渲染等。無(wú)論是使用哪種實(shí)現(xiàn)方式，它的最終目的都是生成一張Color Buffer，即顏色數(shù)據(jù)。

最后一個(gè)步驟一般成為后處理Post-Processing。這個(gè)步驟的主要作用是對(duì)輸出的Color Buffer進(jìn)行圖像處理。經(jīng)過(guò)Post-Processing產(chǎn)生的圖像，顏色比單純的Color Buffer自然很多。Post-Processing里面的效果大部分都是屏幕空間效果，例如要做一個(gè)輝光的效果，畫(huà)面中有一盞燈非常亮，在它的邊緣會(huì)有一些柔和的光效溢出，這個(gè)效果基本上就是通過(guò)Post-Processing實(shí)現(xiàn)的。

屏幕空間效果會(huì)有什么問(wèn)題？在分布式渲染中，渲染任務(wù)是被拆分開(kāi)的，所以真正做渲染的Render的機(jī)器，實(shí)際上是沒(méi)有全屏信息的，它沒(méi)有辦法做后處理。

對(duì)此Unity的解決方案是將后處理交由Merger進(jìn)行。Renderer渲染到Color Buffer生成之后，就把Color Buffer傳給Merger，Merger先把這個(gè)Color Buffer合起來(lái)，再總體做一次后處理。

那么，為什么這一過(guò)程中傳的Colour Buffer是HDR的？因?yàn)樵阡秩局?，光照模型一般都是物理真?shí)的，所以為了之后做后處理，Colour Buffer本身是HDR的。

如圖所示，這是把Black Point和White Point分成設(shè)置成0和1的效果，但是實(shí)際上這張圖最高的值可以到90以上。如果是室外的場(chǎng)景，最高值可以到一萬(wàn)多，所以這張圖的動(dòng)態(tài)范圍是非常高的。

同時(shí)，因?yàn)閭鞯氖莿?dòng)態(tài)很高的HDR圖像，加上使用的是8bit的編碼，所以必須找到一個(gè)方法把HDR的Corlor Buffer映射為SDR的Buffer。對(duì)于這一映射也有一些要求，其一，它需要可逆；其二，它需要保留更大的表示范圍，并且盡量減少精度損失。

Unity在這方面采用的是AMD提出的Fast Reversible Tone-Mapper，它有許多好處： 首先它是Unity SRP原生支持的，是Unity的可編程的渲染管線(xiàn)；其次它是可逆的，如圖是它的公式；再次，它保留的數(shù)字范圍更大，精度損失更小。如圖上這一圖像，y=x可以理解為原始顏色，經(jīng)過(guò)Tone-Mapper處理后，它的取值范圍永遠(yuǎn)在0~1之間，同時(shí)當(dāng)它的值越小時(shí)，斜率越大，代表它能表示的數(shù)字越多，可保留的精度越高。有時(shí)在渲染中會(huì)遇到顏色值非常高的情況，但這種情況少之又少，更多的還是保留在0~1的范圍區(qū)間內(nèi)。因此Tone-Mapper能夠幫助我們?cè)?~1這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)保留更多的精度；最后它非常快，在AMD的GCN架構(gòu)的顯卡下，MAX RGB會(huì)被編譯為一個(gè)指令，整個(gè)運(yùn)算中只有3個(gè)指令，Max、加法和除法，所以它是非?？斓摹?/p>

如圖，可以對(duì)比使用Tone-Mapping前后的效果。最左邊是未經(jīng)任何處理的原始圖像；中間是不使用任何Tone-Mapping，經(jīng)過(guò)8 bit的編解碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸，再解碼回來(lái)的情況；最右邊是應(yīng)用了Fast Reversible Tone-Mapping的情況?？梢钥吹嚼锩娴谋尘坝泻芏嗉?xì)節(jié)紋理，代表其中高頻的信息比較多。在高頻信息較多的場(chǎng)景下，應(yīng)用了Fast Reversible Tone-Mapping之后的效果和原始圖像的效果對(duì)比，已經(jīng)看不出什么區(qū)別了。

但是如果場(chǎng)景里低頻的信息較多，例如漸變較多，即使運(yùn)用了Tone-Mapping，也沒(méi)有辦法完全解決這個(gè)問(wèn)題?？梢钥吹?，原始圖像上的漸變非常柔和，在無(wú)Tone-Mapping的情況下，色帶肉眼可見(jiàn)。但是即使引入了Fast Reversible Tone-Mapping，也只能減緩色帶問(wèn)題，比起原始圖像而言還是差了很多，目前沒(méi)有更好的辦法解決這一問(wèn)題。

Unity對(duì)插件進(jìn)行性能優(yōu)化的另一個(gè)方式是Vulkan同步。因?yàn)樯婕癎PU內(nèi)部的顯存拷貝，而且它是Vulkan拷貝到CUDA的操作，所以它是一個(gè)GPU-GPU的異步操作。異步操作要求開(kāi)發(fā)人員對(duì)于操作做好同步，即在編碼時(shí)，要保證Unity渲染完成之后才進(jìn)行編碼，解碼時(shí)要保證解碼完成之后，才能把這張圖像Copy給Unity，讓Unity把它顯示在屏幕上。

Unity Vulkan Native Plugin Interface提供了一種同步方式。這里主要關(guān)注框出的兩個(gè)Flag：

上面的Flush Command Buffer，指在Unity調(diào)用自定義渲染事件時(shí)，Unity會(huì)先把它已經(jīng)錄制好的渲染指令提交到GPU上，這時(shí)GPU就可以開(kāi)始執(zhí)行這些指令了。

下面的Sync Worker Threads，指在Unity調(diào)用自己定義的Plugin Render Event時(shí)，會(huì)等待GPU上所有的工作全部完成之后才會(huì)調(diào)用。

這兩個(gè)方式組合起來(lái)確實(shí)能滿(mǎn)足需求，確實(shí)可以做到同步，但是這種方式也打斷了渲染流水線(xiàn)。使用這種同步方式，在調(diào)用Plugin Event之前，所有程序要全部停下，等待GPU完成操作。因此這個(gè)方式雖然能實(shí)現(xiàn)同步，但非常耗時(shí)。

如圖展示的就是在這個(gè)同步方式下的情況。在簡(jiǎn)單的場(chǎng)景下，它耗時(shí)5.6毫秒。所以這種方式雖然能同步，但是性能非常差。

Unity只提供了上述的同步方式，因此我們只能轉(zhuǎn)向Vulkan自帶的同步原語(yǔ)。Timeline Semaphore是Vulkan在1.2版本的SDK里提出的新型的Semaphore，它非常靈活，而且是FFmpeg原生支持的。這里是FFmpeg的Vulkan Context的Frame，它通過(guò)Timeline Semaphore同步。在FFmpeg里，它主要被用于GPU-CPU同步，但它也可以用于GPU-GPU同步。

Unity提供的同步方式只有上述兩個(gè)Flag，它無(wú)法直接使用底層的同步原語(yǔ)，但是它允許我們Hook Vulkan的任何一個(gè)API，即在 Hook之后，Unity在調(diào)用Vulkan的API時(shí)，它其實(shí)調(diào)用的是我們自己定義的Hook的版本，因此我們使用了Vulkan Hook介入U(xiǎn)nity的渲染，在Unity把一幀的渲染提交給GPU之前，通過(guò)Hook提交的API，把FFmpeg的Semaphore 塞到提交里面，就可以保證在渲染完成之后會(huì)通知Timeline Semaphore，F(xiàn)Fmpeg會(huì)等Semaphore被通知之后再執(zhí)行。通過(guò)這種方式，這個(gè)同步也能達(dá)成目的，而且不會(huì)打斷渲染流水線(xiàn)。

如圖所示，上面為5.6毫秒耗時(shí)的情況，下面則完全把這一耗時(shí)消除了。因?yàn)樵谶@個(gè)情況下，不需要在調(diào)用Render Event之前就提交渲染指令，而是在GPU上通過(guò)Timeline Semaphore和FFmpeg的Command進(jìn)行同步，因此把這一部分完全省去了。在這個(gè)簡(jiǎn)單場(chǎng)景中大概有5.6毫秒左右的提升，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在復(fù)雜場(chǎng)景中則會(huì)有10~20毫秒不等的提升。

另一個(gè)性能優(yōu)化方案是多重緩沖，這是渲染中非常常用的技巧。在渲染中，常常會(huì)用多重緩沖來(lái)減少畫(huà)面的卡頓、撕裂等情況，三重緩沖還能夠提高幀率的穩(wěn)定性、提高渲染性能。

多重緩沖的引入會(huì)把渲染變成Single Producer, Single Consumer的流水線(xiàn)模型，即渲染流水線(xiàn)。正是因?yàn)橛卸嘀鼐彌_，才能形成流水線(xiàn)，讓GPU往一個(gè)緩沖中寫(xiě)入時(shí)，CPU可以開(kāi)始準(zhǔn)備下一個(gè)緩沖，GPU可以同時(shí)往另一緩沖區(qū)寫(xiě)入下一幀數(shù)據(jù)。

在編解碼的插件中，Unity也引入了多重緩沖來(lái)提高性能，使用硬件編解碼代替圖像上屏操作。渲染的圖像沒(méi)有顯示在屏幕上，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)走，這是通過(guò)多重緩沖的方式實(shí)現(xiàn)的，和渲染有同樣的效果。在引入多重緩沖后，Unity的渲染和編解碼器會(huì)分別作為Producer和Consumer進(jìn)行渲染和編解碼的流水線(xiàn)。

-06-

總結(jié)與未來(lái)展望

在分布式渲染的解決方案中會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)帶寬和性能問(wèn)題。

首先，通過(guò)引入視頻編解碼可以解決了網(wǎng)絡(luò)帶寬的問(wèn)題，采取硬件編解碼避免GPU-CPU的回讀，避免打斷渲染的流水線(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，Unity開(kāi)發(fā)了Unity Native Rendering Plugin來(lái)對(duì)接Unity和FFmpeg底層的Vulkan和NVIDIA Codec 的SDK。

因?yàn)檫x取的編解碼格式，方案中還遇到了色帶問(wèn)題，因此在方案中我們引入Tone-Mapping優(yōu)化畫(huà)質(zhì)，通過(guò)FFmpeg自帶的Timeline Semaphore，把Unity的渲染指令和FFmpeg的拷貝指令和編解碼指令進(jìn)行同步，保證編解碼結(jié)果正確。

最后，Unity通過(guò)引入多重緩沖提升性能，減少幀率不穩(wěn)的情況。

目前Unity還在探索一些其他的方案。

首先，Unity希望嘗試Vulkan自己推出的Vulkan Vider Extensions。它在2023年1月左右才真正進(jìn)入Vulkan的SDK，成為一個(gè)正式的功能。這個(gè)Extension非常新，所以到目前為止Unity還沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行嘗試，但一直在關(guān)注。如果使用這一Extension，就可以完全避免前文所述得到顯存間拷貝、同步等問(wèn)題。因?yàn)檫@一應(yīng)用程序沒(méi)有引入別的GPU端的運(yùn)行環(huán)境，完全在Vulkan內(nèi)部運(yùn)行，因此我們不需要拷貝，直接使用Unity的結(jié)果即可。

其次，Unity在對(duì)接其他GPU的硬件廠商，嘗試其他硬件編碼。Unity目前正在和一些國(guó)產(chǎn)的GPU廠商對(duì)接，他們表示他們的硬件編解碼能力會(huì)有所提升，支持的格式不再限制于8 bits了。

最后，Unity還希望嘗試一些要使用GPUDirect RDMA、CXL共享內(nèi)存等特殊硬件的方案。GPUDirect RDMA允許直接把GPU顯存里的東西直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)走，能夠減少回讀。CXL共享內(nèi)存，顧名思義是個(gè)共享內(nèi)存，相當(dāng)于很多臺(tái)機(jī)器共享一個(gè)遠(yuǎn)程的內(nèi)存池，因此它的帶寬和延遲都是內(nèi)存級(jí)別。這一方案至少允許我們?cè)诜植际戒秩镜沫h(huán)境下不進(jìn)行視頻編解碼，可以使用Raw Data的方式，把Raw Data存在遠(yuǎn)程內(nèi)存中。

編輯：黃飛